Мониторинг атмосферного содержания SO2 при крупных

УДК 551.21
МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРНОГО СОДЕРЖАНИЯ SO2 ПРИ КРУПНЫХ
ИЗВЕРЖЕНИЯХ ВУЛКАНОВ КАМЧАТКИ ЗА 2007 Г. ПОСРЕДСТВОМ
СПУТНИКОВЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Мельников Д.В., Ушаков С.В.
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, dvm@kscnet.ru
Введение
Диоксид серы (SO2) является одним из основных магматических газов, эманации которого
сопровождают вулканические извержение. Кроме того, он может образовываться при сжигании
природного топлива на электростанциях и при выплавке металла. Диоксид серы имеет короткий
период жизни в воздухе, превращаясь в аэрозоли сульфатов в течении суток близ поверхности
Земли и в течении месяца в стратосфере. Мониторинг содержания SO2 в атмосфере позволяет
судить об энергии вулканического извержения в целом и отдельных его этапов. Мощные эмиссии
SO2 могут приводить к возникновению кислотных дождей и климатическим изменениям. Так,
например, в результате извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. в атмосферу было
выброшено диоксида серы массой 20 млн. тонн, что оказало мощное влияние на состояние
озонового слоя.
Глобальный мониторинг концентраций SO2 осуществляется на основе измерений в
ультрафиолетовом диапазоне (UV) приборами, установленными на искусственных спутниках
Земли. В настоящее время, для решения данной задачи, на околоземной орбите находится два
спутника – SCIAMACHY (на борту спутника ENVISAT) и OMI (на борту спутника AURA).
Наиболее предпочтительными являются данные получаемые инструментом OMI (Ozone
Monitoring Instrument), который является совместной разработкой Голландского аэрокосмического
агентства, Финского метеорологического института и NASA. Этот прибор в 2004 году сменил на
околоземной орбите своего предшественника - TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer). OMI
обладает более широким спектральным и пространственным разрешением. Он способен
осуществлять ежедневный глобальный мониторинг состояния атмосферы в диапазоне длин волн
270-500 нм со спектральным разрешением 0.5 нм и с пространственным разрешением 13×24 км/1
пиксель. Частота съёмки – 1 раз в сутки. Алгоритм обработки данных [2, 3] даёт информацию о
повышенных концентрациях SO2 на трёх высотах над уровнем моря: 2 км (антропогенный SO2), 5
км (пассивная вулканическая дегазация) и 15 км (крупные эксплозивные извержения). Метод
основан на измерении спектральных характеристик солнечного света рассеянного в атмосфере и
отражённого от поверхности Земли. Сравнение первоначального и отражённого спектра даёт
информацию о распределении и концентрации микропримесей озона и диоксид серы, так как эти
газы поглощают и рассеивают часть приходящего солнечного света. В качестве единиц измерения
концентрации SO2 используются Единицы Добсона (Dobson Units). Одна Единица Добсона равна
0.01 мм толщины сжатого слоя озона при 0 градусов Цельсия или 2.69×1020 молекул озона на
квадратный метр. Типичное фоновое значение концентрации SO2 в атмосфере составляет ≤ 1
Единицы Добсона. Исходные данные OMI SO2 в формате HDF можно получить на официальном
сайте NASA (http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/)
Использование данных OMI SO2 для изучения извержений вулканов Камчатки
Ежегодно от различных источников в атмосферу привносится около 102 тыс. килотонн
диоксида серы. Причём доля вулканизма в общей массе не велика и составляет всего 14 тыс.
килотонн в год. Наибольшая масса [5] выбросов SO2 приходится на промышленное производство
(около 67 тыс. килотонн в год). Для вулканизма характерно наличие двух основных механизмов
дегазации диоксида серы. Первый – дегазация при извержениях, в результате которых в
атмосферу поступает от 500 до 4 000 килотонн SO2 в год. При этом происходит излияние лавы,
выбросы пепла на высоту до 40 км за достаточно короткий период времени (часы или сутки).
Второй – пассивная вулканическая дегазация, которая является источником гораздо большего
количества SO2 (от 5 000 до 10 000 килотонн в год). Этот тип вулканической активности
характеризуется долгим временным периодом (недели-столетия), небольшой высотой дегазации
101
(до 5 км над уровнем моря). Эти два типа вулканической активности, сопровождаемой дегазацией
SO2, можно рассмотреть на примере некоторых вулканов Камчатки.
Вулкан Мутновский
Ярким примером пассивной дегазации является Мутновский вулкан. Наземными
инструментальными методами (COSPEC) в 1999 году было определено [4], что средний объём
дегазации SO2 для этого вулкана равен примерно 50 тонн/день. На протяжении всего апреля 2007
года по данным OMI SO2 над кратером вулкана фиксировалась повышенная концентрация
диоксида серы (рис. 1) которая постепенно увеличивалась и достигла максимума 17 апреля (на
момент пролёта спутник в 2:50 UTC масса SO2 составляла 330 тонн), после чего пошла на убыль.
Предполагается, что утром 17 апреля
2007 года (по местному времени)
произошло небольшое фреатическое
извержение
вулкана
[1].
Подтверждением этого являются
визуальные данные, полученные в
результате полевых работ 25-28 мая
2007 г. – западные склоны вулкана
были
покрыты
тонким
слоем
резургентного пепла, а на дне
Активного
кратера
наблюдалась
новая взрывная воронка диаметром
Рис. 1. График распределения концентраций SO2 (в тоннах)
около 200 метров. Так же, данные
над Мутновским вулканом в апреле 2007 г.
полученные со спутников AVHRR и
MODIS зафиксировали 17 апреля небольшое пепловое облако в непосредственной близости от
вулкана.
Вулкан Ключевской
Извержение
Ключевского вулкана
продолжалось
с
февраля по июль 2007
г. Наиболее активная
фаза извержение была
в мае-июле 2007 г. На
момент
начала
активизации (февральмарт)
вулкана
концентрации
SO2
были малы для их
обнаружения
с
помощью OMI SO2. В
этот
период,
по
визуальным данным,
Рис. 2. Изображение облака содержащего высокие концентрации
SO2, отмечалось умеренное
вероятно, образовавшегося в результате фреатического извержения
свечение над кратером
Мутновского вулкана. 17 апреля 2007 г. 02:48 UTC
и мощная парогазовая
деятельность. Только к 20-м числам апреля начинает фиксироваться повышенное содержание SO2,
в этот период уже происходят излияния лавы и пепловые выбросы. Всего за активную фазу
извержения в атмосферу поступило более 120 килотонн диоксида серы. Помимо концентраций
SO2 данные OMI, на основе аэрозольного индекса, предоставляют информацию о наличии в
атмосфере твёрдых частиц пепла (рис. 2).
102
Рис. 2. Снимок OMI за 1 июля 2007 г. Рисунок А) показывает распределение и концентрации шлейфа
содержащего SO2. На рисунке Б) отображается аэрозольный индекс, характеризующий количество и
плотность твёрдых частиц пепла.
Вулкан Шевелуч
У вулкана существует постоянная пассивная дегазация, однако SO2 (с использованием
OMI) регистрируется только во время крупных эксплозивных событий. Причём даже в эти
периоды, концентрации SO2 незначительны. Вероятно, это связано с тем, что экcплозивные
события протекают достаточно быстро (часы) и диоксид серы успевает рассеяться в атмосфере.
Учитывая тот факт, что OMI/Aura совершает только 1 виток в сутки над территорией Камчатки, то
вероятность фиксации столь короткого события становится мала. 29 марта 2007 г. произошло
крупное эксплозивное событие. Общая масса зафиксированного диоксида серы составила всего 29
тонн при наличии большого количества аэрозоля (Рис. 3).
Рис. 3. Снимок OMI за 29 марта 2007 г. Рисунок А) показывает концентрации SO2 выделившегося при
эксплозивном событии. На рисунке Б) отображается аэрозольный индекс, характеризующий количество и
плотность твёрдых частиц пепла.
103
Можно предположить, что во время крупных эксплозивных событий выбрасывается
большое количество твёрдых частиц, поэтому становится проблематичным определить истинные
концентрации SO2.
Вулкан Безымянный
Деятельность вулкана характеризуется цикличными эксплозивными событиями (примерно
1 раз в 6 месяцев). Обычно события скоротечны (часы) и при помощи OMI зафиксировать диоксид
серы
не
удавалось.
Однако, 14 октября 2007 в
14:27
UTC
началось
эксплозивное извержение,
длившееся двое суток. В
результате
было
извержено
большое
количества
пепла,
излился лавовый поток.
Общая масса диоксида
серы
за
период
извержения составила 3
килотонны (Рис. 4).
Рис. 4. Облако, содержащее диоксид серы появившееся в результате
извержения вулкана Безымянного. Данные OMI 16 октября 2007 г.
Заключение
Спутниковые методы исследований являются неотъемлемой частью изучения
вулканической активности. Значительно расширить эти наблюдения и предоставить новую
информацию о жизни вулканов позволяют данные получаемые из космоса прибором Ozone
Monitoring Instrument. При помощи OMI становится возможным выявлять повышенные
концентрации диоксида серы в периоды пассивной вулканической дегазации и на этапе активной
фазы извержений. В некоторых случаях фиксируется увеличение концентрации SO2 в
предэруптивный период, что может являться прогнозным методом. За 2007 год вулканами
Камчатки (Ключевской, Безымянный, Шивелуч, Карымский, Мутновский) было продуцировано в
атмосферу более 150 килотонн диоксида серы (на основании измерений OMI SO2).
Хотя у данного метода существуют свои ограничения (зависимость от интенсивности
солнечного света и периодичность повторения орбиты), наблюдения за концентрациями SO2
являются важным направлением исследований для понимания жизнедеятельности вулканов,
климатических изменений, обеспечения здоровья населения, безопасности полётов авиации.
Список литературы
1. Гавриленко Г.М., Мельников Д.В., Зеленский М.Е., Тавиньо Л. Многолетний гидрохимический
мониторинг вулкана Мутновский (Камчатка) и фреатическое извержение вулкана в апреле 2007 г. // Вестник
КРАУНЦ. Науки о Земле. 2007. № 1(9). С. 127-132
2. Krotkov, N. A., Carn, S. A., Krueger, A. J., Bhartia, P. K., Yang, K. Band residual difference algorithm for
retrieval of SO2 from the Aura Ozone Monitoring Instrument (OMI), IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, AURA
Special Issue. 2006. V.44. N5. Pр.1259-1266.
3. Carn, S.A., N.A. Krotkov, K. Yang, R.M. Hoff, A.J. Prata, A.J. Krueger, S.C. Loughlin, and P.F. Levelt.
Extended observations of volcanic SO2 and sulfate aerosol in the stratosphere, Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2007.
N.7. Pp.57-2871
4. Fisher, J.M., Fisher, T.P., Roggensack, K., Williams, S.N. Magmatic volatiles from the Kamchatka volcanic arc //
AGU Fall Meeting, San Francisco, CA, Dec 11-15, 1999.
5. Andres R.J., and A.D. Kasgnoc, A time-averaged inventory of subaerial volcanic sulfur emissions, J. Geophys.
Res., 1998. V.103. Pp.25251-25261.
104